安全電壓在燃氣熱水器上的研究

張華平

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

國內現行生產和銷售的燃氣熱水器絕大部分都是使用220 V市電，根據相關燃氣熱水器產品標準要求，燃氣熱水器產品所用電源線需要采用帶地線的三插頭，有可靠的接地線與產品外殼連接，以防止產品內部的帶電部件漏電而出現觸電事故。由于我國幅員遼闊，區域經濟發展不均衡，全國各地用電情況復雜，致使許多用戶家里的電源都無接地線，或接地線不可靠，甚至會出現接地線本身帶電的情況，極易出現觸電事故，嚴重危害用戶的人身安全。在此背景下，本文通過對燃氣熱水器漏電、觸電分析，提出一種全新的燃氣熱水器電控方案，確保燃氣熱水器內部電器件均為安全電壓，從而有效保障用戶的人身安全，全方位提高燃氣熱水器的安全性。

1 現有燃氣熱水器電路概述

在我國，現有燃氣熱水器都是使用220 V市電，而燃氣熱水器內部主要的用電部件有：風機、控制器、比例閥、水流量傳感器、變壓器、風壓開關、脈沖點火器等，按照燃氣熱水器現行標準，電源線需要采用帶地線的三插頭，從熱水器外殼引入到熱水器內部，地線接到熱水器的金屬外殼。220 V市電通過電源線輸入控制器，其中一電路通過控制器直接將220 V市電供給220 V交流風機，另一電路通過控制器整流或變壓為控制器內部、比例閥、水流量傳感器、風壓開關等供電。因此帶市電的部件為風機、控制器、變壓器等電器件，而比例閥、水流量傳感器、風壓開關等用的是低壓直流電。綜上，現有燃氣熱水器雖然部分電器件采用了低壓直流電，但風機、變壓器等部分電器件還是與220 V市電直接連接，所以當燃氣熱水器內部電器件特別是與220 V市電直接連通的電器件漏電時容易發生觸電事故，整機存在比較大的安全隱患，要想提高燃氣熱水器的安全性，現有電路方案普遍通過在燃氣熱水器內部設計一根地線來消除漏電隱患，但鑒于我國現有用電國情，部分用戶由于用電不規范，甚至出現地線帶電的情況。因此要想徹底解決燃氣熱水器的觸電隱患，必須將熱水器內部電器件與外部220 V市電進行隔離，并且內部電器件采用安全電壓，以此來保證用戶在使用燃氣熱水器的用電安全性。

2 安全電壓

根據國標GB 3805-83，其對安全電壓有不同的電壓值，包括42 V、36 V、24 V、12 V、6 V。理論上講電壓越低肯定是越安全，但是電壓越低能耗也就越大，因此在保證安全的前提下，適當提高電源電壓有利于降低能耗提高設備效率。然而根據有關規定，當電氣設備采用了24 V以上（不包含24 V）的安全電壓時，必須采取防直接接觸帶電體的保護措施，而24 V以下的電氣設備允許人體可偶然觸及裸露的帶電體，另外，國際標準以及幾個主要的發達國家的標準，都把25 V以下的帶電體，視為非帶電部件（如IEC 364-4-41）。因此，安全電壓定為24 V是比較合適的。

鑒于此，我們可以將安全電壓引入燃氣熱水器內部，用戶在操作燃氣熱水器過程中，萬一有零部件漏電并通過熱水器的外殼直接與人體接觸時也能確保用戶的安全性。

3 安全電壓在燃氣熱水器中的應用

安全電壓應用于燃氣熱水器中，首先需要考慮燃氣熱水器內部各零部件使用安全合理的電壓。燃氣熱水器用電部件中耗電最大的是風機和比例閥，現有燃氣熱水器比例閥一般都是采用直流24 V供電，控制器的控制電路部分、水流量傳感器、風壓開關一般采用直流5 V供電，可以用24 V變壓降壓提供，上述電器件耗電少，已經滿足安全電壓的要求；而現有燃氣熱水器使用的直流風機一般采用直流36 V供電，風機的耗電是最大的，而且風機在靜止啟動時的啟動電流很大，一般電機直接啟動時，啟動電流是正常工作電流的5～7倍，因此可以提高供電電壓來降低電流，而現有的直流風機供電電壓為36 V，為了解決供電電壓不同的矛盾，有兩個方案：第一需要開發24 V的直流風機，第二將24 V升壓到36 V，但由于風機的耗電大，變壓升壓到36 V不但使控制器更加復雜，而且能耗大；重新開發24 V的直流風機可以在36 V基礎上更改，并完善風機的啟動性能，因此選擇重新開發24 V的直流風機為理想方案。表1為本文安全電壓燃氣熱水器與現有普通燃氣熱水器部分關鍵電器件電壓對比表。

然而燃氣熱水器內部電器件工作電壓滿足安全電壓的范圍只是確保燃氣熱水器安全使用且不發生觸電事故的一個必要條件，雖然熱水器整體由24 V供電，但24 V供電電壓仍然是由市電提供，如果變壓方式還是采用普通自耦式變壓器進行降壓來供電，降壓來的24 V還是與市電220 V連接在一起，仍然是不安全的，因此必須采用安全隔離變壓器進行降壓：通過至少相當于雙重絕緣或加強絕緣的絕緣方式使輸入繞組與輸出繞組在電氣上分開，從而確保輸入的24 V是真正的安全電壓。而且必須將電源線也不能引入熱水器內，防止電源線破損而造成熱水器帶電，確保熱水器的用電安全。

根據上述要求，本項目安全電壓型燃氣熱水器需要在燃氣熱水器外部增加一個降壓模塊，該部件即可以將220 V市電轉化為燃氣熱水器所使用的24 V安全電壓，同時還能確保燃氣熱水器與市電隔離，該燃氣熱水器的電源方案與手提電腦的電源適配器比較相似，但由于使用的場景和用途不一樣，還是有很大的區別：手提電腦自帶有電池，電源適配器一般在電池無電的時候才用，充滿電后一般不再插電，而熱水器一般不帶有電池，就靠電源適配器供電工作，插電后一般不會關電，基本上連續長時間通電的，或者一直在通電，對電源適配器的待機功耗和穩定性要求高；手提電腦一般在起居室內使用，使用環境較好，而熱水器的使用環境十分惡劣，可能安裝在浴室、陽臺、廚房、戶外等，要適應的溫度范圍大大提高，而且會有水會淋到電源適配器上，防水等級要求高；手提電腦的外殼一般是塑料的，本身是絕緣體，漏電觸電的可能性很低，而熱水器的外殼一般是金屬的，零部件帶電后會導致熱水器帶電，對電源適配器的防漏電觸電要求更高；手提電腦有電池緩沖，電源適配器工作時的電流不會很大，熱水器的風機起動時電流很大，對電源適配器的沖擊較大，對電源適配器的要求更高；手提電腦與電源適配器的連接為方便使用，要求可拆開，而熱水器需要一直連接在一起，而且產品標準要求電源軟線應有固定裝置，其固定裝置應使導線在接線端處免受拉力和扭矩，并保護導線的絕緣免受磨損，因此，電源適配器與熱水器的連接必須連接好，經受得起標準要求的拉力和扭矩的檢驗。表2為安全電壓燃氣熱水器適配器與現有普通燃氣熱水器適配器差異對比表。

表1 安全電壓燃氣熱水器與現有普通燃氣熱水器部分關鍵電器件電壓對比表

表2 安全電壓燃氣熱水器與現有普通燃氣熱水器適配器差異對比表

圖1 16 L安全電壓燃氣熱水器整體方案

4 結語

根據上述分析，以16 L安全電壓燃氣熱水器為例，其整體方案設計如圖1。

整機額定電功率30 W，配電源適配器輸入85～245 V，輸出24 V，額定功率60 W，熱水器內的部件：風機24 V，額定輸入功率30 W，氣控系統24 V，控制器控制電路、水流量傳感器和風壓開關5 V，脈沖點火器12 V；電源適配器采用全密封結構，包括電源引線和輸出線，輸出線與熱水器連接采用螺釘固定，經受得起標準要求的拉力和扭矩的檢驗；內部采用安全隔離變壓器，確保安全隔離市電，杜絕漏電觸電，采用的元器件可短時間承受2倍以上的額定電流沖擊；控制器控制風機啟動時采用軟啟動，降低風機啟動電流。

本項目提出的安全電壓燃氣熱水器整機電控方案，確保燃氣熱水器內部電器件均為安全電壓，對燃氣熱水器與外部市電進行安全隔離，有效保障用戶的人身安全，全方位提高燃氣熱水器的安全性。